第10章-光學材料

第10章光學材料光學材料是傳輸光線的材料，這些材料以折射、反射和透射的方式，改變光線的方向、強度和位相，使光線按預定要求和路徑傳輸，也可吸收或透過一定波長范圍的光線而改變光線的光譜成分。10.1激光材料10.1.1激光的產生英文名：LASER(LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation)“鐳射”、“萊塞”中文名：1964年按照我國著名科學家錢學森建議將“光受激發(fā)射”改稱“激光”。世界上第一臺激光器的誕生，使激光技術成為一門新興科學發(fā)展起來，在光學發(fā)展史上翻開了嶄新的一頁。激光的出現(xiàn)極大地促進了光學材料的發(fā)展，目前已有數(shù)百種新型激光工作物質。1.自發(fā)輻射與受激輻射材料中原子處于不同能量狀態(tài)，一個原子吸收外界能量后由低能態(tài)躍遷到高能態(tài)的過程稱為“激發(fā)”。處于高能態(tài)的原子是不穩(wěn)定的，它可自發(fā)恢復到低能態(tài)，并伴隨有光的發(fā)射，稱為自發(fā)輻射。高能原子發(fā)生自發(fā)輻射前，受外來光子(能量為E2-E1)的刺激，可從E2躍遷到E1，同時輻射一個與外來光子同頻率、同位相、同方向、同偏振態(tài)的光子，稱為受激輻射。受激輻射4(a)：自發(fā)輻射處于高能級態(tài)的原子自發(fā)躍遷到低能級態(tài)，并同時向外輻射出一個光子；光子能量：宏觀表現(xiàn)：發(fā)光2.材料發(fā)光與電子躍遷方式5(b)：受激(自發(fā))吸收處于低能級態(tài)的原子在一定條件下的輻射場作用下，吸收一個光子，躍遷到高能級態(tài)；宏觀表現(xiàn)：光被吸收6(c)：受激輻射處于高能級態(tài)的原子在一定條件下的輻射場作用下，躍遷到低能級態(tài)，并同時輻射出一個與入射光子完全一樣的光子。宏觀表現(xiàn)：光被放大7普通光源普通光源是光的自發(fā)輻射。特點：多波長、任意方向、不相干。普通光源向四面八方輻射,光線分散到4p球面度的立體角內。用一個光子去激發(fā)位于高能級的電子或離子，使之放出光子，受激發(fā)射產生的光就是激光。如果使材料中多數(shù)能發(fā)生受激輻射的原子或離子都處于激發(fā)狀態(tài)，再用外界光感應，使所有處于激發(fā)狀態(tài)的原子和離子幾乎同時產生受激輻射而回到低能態(tài)，將發(fā)出具有強大能量密度的光束。高能激光束3.電子能態(tài)分布（1）波爾茲曼分布率根據(jù)統(tǒng)計力學原理，大量相同粒子(原子、離子、分子)集合處于熱平衡溫度下，粒子數(shù)按能級的分布服從波耳茲曼分布規(guī)律。形式：在熱平衡條件下絕大部分粒子處于基態(tài)，即處于低能級上的粒子數(shù)總多于高能級上的粒子數(shù)，因而受激吸收總占優(yōu)勢。這叫粒子數(shù)正常分布。（2）粒子數(shù)反轉要想使受激輻射占優(yōu)勢或者說占主導地位，就必須使N2>N1。如果借助于外界的激勵，破壞粒子的熱平衡分布，就可能使高能級E2的粒子數(shù)N2大于低能級E1的粒子數(shù)N1。由于它同正常分布相反，所以叫粒子數(shù)反轉分布。粒子數(shù)反轉分布的作用在于當外來光輻射時，受激輻射總是大于受激吸收，因而產生了光的放大信號。實驗證明，許多物質給予一定激勵后，能實現(xiàn)這種反轉分布，它為激光的產生提供了基礎。

10.1.2激光特點及應用1.方向性好：亮度高：由于激光的發(fā)射能力強和能量的高度集中，所以亮度很高，它比普通光源高億萬倍，比太陽表面的亮度高幾百億倍。亮度是衡量一個光源質量的重要指標，若將中等強度的激光束經過會聚，可在焦點出產生幾千到幾萬度的高溫。發(fā)散角小：激光器發(fā)射的激光，天生就是朝一個方向射出，光束的發(fā)散角極小，大約為0.001rad，接近平行。1962年，人類第一次用激光照射月球，地球距離月球的距離大約為310萬公里，但激光在月球表面的光斑不到兩公里。11激光能量在時間和空間上高度集中，能在極小區(qū)域產生幾百萬度的高溫。激光加工、激光手術、激光武器等就利用了高亮度的特點。激光測距

激光切割激光打孔132.單色性好：光的顏色由光的不同波長決定，不同的顏色，是不同波長的光作用于人的視覺的不同而反映出來。激光的波長基本一致，譜線寬度很窄，顏色很純，單色性很好。由于這個特性，激光傳遞信息的容量大，實現(xiàn)光通信。

計量工作的標準光源、激光通訊等利用了單色性好的特點。光纜舞臺效果143.相干性好：相干性是所有波的共性，但由于各種光波的品質不同，導致它們的相干性也有高低之分。普通光是自發(fā)輻射光，不會產生干涉現(xiàn)象。激光不同于普通光源，它是受激輻射光，具有極強的相干性，所以稱為相干光。激光具有很好的相干性。普通光源的相干長度約為1毫米至幾十厘米，激光可達幾十公里。全息照相、全息存儲等就利用了相干性好的特點。

全息攝影亦稱：“全息照相”，一種利用波的干涉記錄被攝物體反射（或透射）光波中信息（振幅、相位）的照相技術。全息攝影是通過一束參考光和被攝物體上反射的光疊加在感光片上產生干涉條紋而成。全息攝影不僅記錄被攝物體反射光波的振幅（強度），而且還記錄反射光波的相對相位，因此得到的照片顯得更加立體。16其它應用—激光醫(yī)療、美容整形激光打印機10.1.3固體激光材料激光系統(tǒng)最重要的是激光工作物質，分為固體、液體和氣體激光工作物質。固體激光器是最重要的一種，不但激活離子密度大，振蕩頻帶寬，能產生譜線窄的光脈沖，而且具有良好的機械性能和穩(wěn)定的化學性能。固體激光器絕大部分激光晶體是含激活離子的熒光晶體，按照晶體組成可分為摻雜型激光晶體和自激活激光晶體兩類，前者占現(xiàn)有激光晶體的絕大部分。摻雜型激光晶體由激活離子和基質晶體組成。1.激活離子：過渡族金屬離子、三價稀土離子、二價稀土離子等。Nd3+激光閾值極低，可實現(xiàn)連續(xù)運轉，已成為晶體激光器中最重要、應用最廣的激活離子。摻雜激光晶體發(fā)射的激光束金屬激活離子離子Ti4+V2+Cr3+Mn2+Fe3+Co2+Ni2+Cu2+3d殼層電子數(shù)1335671010離子半徑/nm0.0670.0790.0620.0650.0640.0650.0690.096離子Pr3+Nd3+Sm4+Eu3+Dy4+Ho3+Er3+Tm4+Yb3+4f殼層電子數(shù)2356910111213離子半徑/nm0.1140.1120.1090.1070.1030.1020.1000.0990.09102.基質晶體：氧化物和復合氧化物晶體具有熔點高、硬度大，物理化學性能穩(wěn)定，摻入三價激活離子不需電荷補償?shù)忍攸c，是應用最廣的一類基質晶體，如Al2O3、Y2O3、La2O3、Gd2O3、Y3Al5O12(YAG)、Gd3Al5O12(GAG)、Y3Ga5O12(YGG)等。Al2O3、YAG等氧化物晶體已獲得廣泛的應用。還有一些氟化物晶體、含氧金屬酸化物晶體。3.典型的激光材料：摻雜型激光晶體有稀土激活離子和過渡族激活離子兩大類，前者以摻Nd釔鋁石榴石(Nd3+：YAG)為代表，后者以紅寶石(Cr3+：Al2O3)為代表。紅寶石是在晶體氧化鋁(Al2O3)中摻入少量的Cr2O3，由Cr3+部分取代Al3+而成，激活離子Cr3+。晶體顏色為淡紅色，它是剛玉的一種。能級結構：鉻失去的三個電子躍遷形成高能級電子，在光的激發(fā)下可受激發(fā)射而發(fā)光。紅寶石激光器發(fā)射的波長為可見紅光，很容易進行探測和定量測量，在激光器的基礎研究、強光光學研究、激光光譜研究、激光全息技術、激光雷達與測距方面有廣泛應用。紅寶石激光器Nd：YAG激光器閾值比紅寶石低，增益系數(shù)大，重復率可達每秒幾百次，每次輸出功率可達百兆瓦以上，用于軍用激光測距和制導用激光照明等領域。這種激光器是唯一能在常溫下連續(xù)工作，且具有較大功率的激光器。Nd：YAG激光器4.半導體激光材料受激輻射的激發(fā)方式主要有三種：光輻照、電子轟擊和向p-n結注入電子，其中p-n結注入電子是半導體產生激光的重要方式。半導體激光器是固體激光器中重要的一類，又稱激光二級管，它是利用少數(shù)載流子注入產生受激發(fā)射的器件。原理：半導體器件p-n結二極管，在電流正向流動時會引起激光振蕩二極管引起激光振蕩的三個條件:具有合適的能級分布的激光物質，光轉換效率高，要求直接帶隙；閾值電流：足夠濃度的載流子；諧振器：二極管的兩個側面作為反射鏡。半導體激光器的常用結構：雙異質結優(yōu)點：減小閾值電流，在室溫下連續(xù)工作。制備方法：用帶隙和折射率不同的兩種材料在適當?shù)幕贤庋由L而成。常用材料GaAs、AlAs，晶格常數(shù)相差僅0.14%，消除結面缺陷。三明治夾層結構：p型的GaAs夾在GaAlAs之間，GaAlAs一個p型，一個n型。GaAlAs比GaAs有高的帶隙，可借助高帶隙界面位壘把電子限制在激活區(qū)內。電子及其產生的光被限制在激活區(qū)內，大大減少器件中的電流密度，可允許器件在較高的溫度下工作，體積小、效率高、運行簡單、價廉。GaAlAsGaAs半導體激光器的基本結構10.2光纖材料10.2.1光纖材料發(fā)展歷程簡介從1776年發(fā)明電話到20世紀的60年代末，通信線路是銅制導線。我國采用的10管同軸電纜加上金屬護套，質量達4噸/公里，有色金屬的消耗實在是太大。1929年和1930年，美國的哈納爾和德國的拉姆先后拉制出石英光纖且用于光線和圖像的短距離傳輸。此時的光纖波導的理論和應用技術進展相當緩慢，主要原因是當時光纖損耗太大，達到幾百甚至一千多分貝/公里，這種光纖對通信是毫無用處的。世界光纖之父：高錕

1966年，高錕博士發(fā)表了著名的論文“光頻介質纖維表面波導”，明確提出通過改進制備工藝，減少原材料雜質，可使石英光纖的損耗大大下降，并有可能拉制出損耗低于20dB/km的光纖。261970年，美國的康寧玻璃公司（CorningGlassCo.）率先將高錕博士的科學預言變?yōu)楝F(xiàn)實，研制出在0.63210μm波長下?lián)p耗為20dB/km的石英光纖，取得了重要的技術突破。在短短幾十年時間里，光纖的損耗已由1000dB/km下降到0.16dB/km，致使光纖通信在世界范圍內形成一個充滿活力的新興產業(yè)。2720世紀100年代中期，全世界范圍內的光纖通信開始走向實用化。石英玻璃光纖的質量為27克/公里。原料廉價，傳輸損耗小，不受外界電磁干擾，保密性強。1993年后，全球范圍信息高速公路的建設。到2000年，世界光纖的年產量達到6000萬公里以上，而已經鋪設的光纖總長度到達2億公里以上。正好印證了電子到光電子的跨越。光纖的出現(xiàn)帶動了集成光學的發(fā)展。28目前，用戶對帶寬的理解和要求已經不同于以往。以前寬帶服務提供商提供ADSL接入時向用戶承諾最高可以達到2M、1M或者512Kbit/s的帶寬，實際上遠遠達不到這個要求。電信服務承諾的概念被扭曲了，現(xiàn)在寬帶用戶逐漸成熟了，他們對這種承諾已經不接受，要求有光纖接入等新的技術來保證帶寬。國內房地產建設市場的旺盛也給光纖接入注入了活力。我國每年新建房產上億平方米，在新樓盤的建設中必然有接入網(wǎng)絡的建設問題，而光接入顯然是首選的接入技術。目前，我國光通信網(wǎng)絡無論是網(wǎng)絡規(guī)模，還是設備先進程度或技術應用水平，均達到了與世界先進水平同步的程度。從產業(yè)整體看，光通信領域已是我國高科技與世界一流水平距離最近的領域，完全達到與世界潮流同步。10.2.2光纖的基本概念及原理光纖是光導纖維的簡稱。光纖是以光脈沖的形式來傳輸信號，材質以玻璃或有機玻璃為主的網(wǎng)絡傳輸介質。

當光由光密介質出射至光疏介質時（n1﹥n2，θ1﹤θ2）（a）折射角大于入射角：（b）臨界狀態(tài)：（c）全反射：入射角大于臨界時，30光通信正是利用了全反射原理，當光的注入角滿足一定條件時，光便能在光纖(光波導)內形成全反射，從而達到長距離傳輸?shù)哪康?。包層n2纖芯n1光纖中心軸線090-0包層n2空氣n01結論：光纖傳光的原理是光的全反射；只有當入射進光纖芯子中的光與光纖軸線交角小于一定值時，光線才能被耦合進入光纖傳播；無論光源發(fā)射功率有多大，只有2θi0張角之內的光功率能被光纖接受傳播。10.2.3光纖的結構涂層包層纖芯高石英玻璃有損耗石英玻璃一次被覆層（變性硅）硅樹脂二次被覆層（尼龍）10.2.4光纖通信的主要特性1.光纖通信的優(yōu)點：（1）光纖的容量大光纖通信是以光纖為傳輸媒介，光波為載波的通信系統(tǒng)，其載波—光波具有很高的頻率(約1014Hz)，因此光纖具有很大的通信容量。（2）損耗低、中繼距離長目前，實用的光纖通信系統(tǒng)使用的光纖多為石英光纖，此類光纖在1.55μm波長區(qū)的損耗可低到0.110dB/km，比已知的其他通信線路的損耗都低得多，因此，由其組成的光纖通信系統(tǒng)的中繼距離也較其它介質構成的系統(tǒng)長得多。如果今后采用非石英光纖，并工作在超長波長(＞2μm)，光纖的理論損耗系數(shù)可以下降到10-3～10-5dB/km，此時光纖通信的中繼距離可達數(shù)千、甚至數(shù)萬公里。（3）抗電磁干擾能力強我們知道，電話線和電纜一般是不能跟高壓電線平行架設的，也不能在電氣化鐵路附近鋪設。（4）保密性能好對通信系統(tǒng)的重要要求之一是保密性好。然而，隨著科學技術的發(fā)展，電通信方式很容易被人竊聽：只要在明線或電纜附近(甚至幾公里以外)設置一個特別的接收裝置，就可以獲取明線或電纜中傳送的信息。更不用去說無線通信方式。（5）體積小，重量輕。（6）化學性能穩(wěn)定。（7）節(jié)省有色金屬和原材料。2.光纖通信的缺點：事物都是一分為二的，光纖通信有許多優(yōu)點，因而發(fā)展很快，但光纖通信也有以下缺點。（1）不可過分彎曲；（2）光纖連接困難；（3）分路、耦合困難；（4）抗拉強度低、光纖怕水。3.光纖損耗（1）光纖材料的吸收與散射損耗；（2）光纖的彎曲輻射損耗；（3）光纖的連接；（4）耦合損耗。10.2.5光纖分類1.按纖芯折射率分布不同：n2n1n2n1n2n12a2arr=ar=0單模階躍折射率光纖多模階躍折射率光纖多模梯度折射率光纖剖面折射率分布可傳播模式纖芯尺寸光耦合難度相對折射率差損耗單模光纖只可傳輸一種模式，最低價模式較小，約2~12μm難?。海?n1-n2)/n1

＝0.0005~0.01小多模光纖可傳輸多種模式較粗，典型尺寸為50μm易大：＝0.01~0.02大按制造材料分類：石英光纖（高石英玻璃光纖、多組分玻璃光纖）、晶體光纖、塑料光纖等。按用途分：

用于通信，如：光纜；用于傳感器，如：光纖陀螺；用于傳輸圖像，如：內窺鏡；其它用途，如用于傳輸能量。光纜塑料光纖10.2.6光纖材料及制造1.石英玻璃光纖石英玻璃光纖以二氧化硅(SiO2)為主要原料，并按不同的摻雜量來控制纖芯和多組分玻璃光纖的折射率。包層中摻加F元素來降低折射率，纖芯中摻加二氧化鍺（GeO2）提高折射率。為降低石英光纖的內部損耗，現(xiàn)都采用化學氣相反應淀積法制取高純度的石英預制棒，再拉絲，制成低損耗石英光纖。CVD法是根據(jù)半導體氣相生長法發(fā)展起來的，這種方法用超純氧氣作載氣，把超純原料氣體四氯化硅和摻雜劑四氯化鍺（GeCl4）、三溴化硼(BBr3)、三氯氧磷(POCl3)等氣體輸送到以氫氧焰作熱源的加熱區(qū)。混合氣體在加熱區(qū)發(fā)生氣相反應，生成粉末狀二氧化硅及添加氧化物。繼續(xù)升溫加熱，使混合粉料熔融成玻璃態(tài)，制成超純玻璃預制棒，然后經加熱(高頻感應加熱、電阻加熱、氫氧焰加熱)使料棒融化、拉絲。折射率通過添加氧化物的濃度加以調節(jié)。石英光纖與其它原料的光纖相比，還具有從紫外線光到近紅外線光的透光廣譜，除通信用途之外，還可用于導光和傳導圖像等領域。2.多組分玻璃光纖多組分玻璃光纖的成分除石英外還含有氧化鈉(Na2O)、氧化鉀(K2O)、氧化鈣(CaO)、氧化硼(B2O3)等其他氧化物。特點是多成分玻璃比石英的軟化點低且纖芯與包層的折射率差很大。主要用在醫(yī)療業(yè)務的光纖內窺鏡。多組分玻璃光纖采用雙坩堝法制造。坩堝由尾部帶漏管的內外兩層鉑坩堝同軸套在一起所組成。多組分玻璃料經過仔細提純，芯料玻璃放在內層坩堝里，包層玻璃放在外層坩堝里。玻璃料經加熱熔化后從漏管中流出。在坩堝下方有一個高速旋轉的鼓輪，將熔融狀態(tài)的玻璃拉成一定直徑的細紗。漏孔的直徑大小和漏管的長度決定芯子的直徑與包層厚度的比值。3.紅外光纖紅外光纖主要用于光能傳送，例如：溫度計量、熱圖像傳輸、激光手術刀醫(yī)療、熱能加工等，普及率尚低。目前正在研究的有重金屬氧化物玻璃、鹵化物玻璃、硫系玻璃和鹵化物晶體等。重金屬氧化物玻璃主要是指比重較石英玻璃大的氧化物玻璃，如GeO2、GeO2-SbO3、CaO-AI2O3；鹵化物玻璃有BeF2、BaF2-CaF2-YF3-AlF3、GdF3-BaF2-ZrF4等；硫系玻璃主要指以S、Se、Te等元素為主體的單元或多元玻璃化合物。4.塑料光纖它是纖芯和包層都用塑料（聚合物）作成的光纖。早期產品主要用于裝飾和導光照明及近距離光線路的光通信中，原料主要是有機玻璃（PMMA）、聚苯乙烯（PS）和聚碳酸酯（PC）。損耗受到塑料固有的C-H結合結構制約，一般每千米可達幾十分貝。為了降低損耗，目前正在開發(fā)應用氟素系列塑料。5.其他光纖金屬涂層光纖是在光纖的表面涂布Ni、Cu、Al等金屬層的光纖。目的在于提高抗熱性和可供通電及焊接。它是抗惡環(huán)境性光纖之一，也可作為電子電路的部件用。在光纖的纖芯中，摻雜餌(Er)、釹(Nd)、鐠(Pr)等稀土族元素的光纖為摻稀土光纖。用1.47pm的激光進行激勵可得到1.55pm的光信號。另外，摻鐠的氟化物光纖放大器(PDFA)正在開發(fā)中。發(fā)光光纖是采用含有熒光物質制造的光纖。它是在受到輻射線、紫外線等光波照射時，產生的一部分熒光，可以用于檢測輻射線和紫外線，以及進行波長變換，或用作溫度敏感器、化學敏感器。從熒光材料和摻雜的角度上，目前正在開發(fā)塑料發(fā)光光纖。10.3紅外材料紅外材料是指與紅外線的輻射、吸收、透射和探測等相關的一些材料。10.3.1紅外線的基本性質紅外線是英國赫舍爾在11000年發(fā)現(xiàn)的。它本質上和可見光一樣是一種電磁波，波長在0.7~1000μm之間。紅外線可分為三部分，即近紅外，波長為0.75~1.50μm之間；中紅外，波長為1.50~6.0μm之間；遠紅外，波長為6.0~l000μm之間（也有15.0~1000μm之間稱為極遠紅外）。紅外線的輻射起源于分子的振動和轉動，而分子振動和轉動起源于溫度。所以在0K以上的溫度下，一切物體均可輻射紅外線，故紅外線是一種熱輻射，有時也叫它熱紅外。也就是說，我們周圍所有溫度在絕對零度（-273℃）以上的物體，都會不停地發(fā)出熱紅外線（熱輻射）。紅外線的特性（1）“大氣窗口”現(xiàn)象大氣、煙云等吸收可見光和近紅外線，但是對3~5μm和10~14μm的熱紅外線卻透過率很高。因此，這兩個波段被稱為熱紅外線的“大氣窗口”。利用這兩個窗口，可以使人們在完全無光的夜晚，或是在煙云密布的戰(zhàn)場，清晰地觀察到前方的情況。（2）物體的熱輻射能量的大小，直接和物體表面的溫度相關。10.3.2紅外輻射材料常用的發(fā)射率較高的紅外輻射材料有碳、石墨、氧化物、碳化物、氮化物以及硅化物等。

紅外輻射搪瓷、紅外輻射陶瓷以及紅外輻射涂料等是一般紅外輻射材料通常使用形式。紅外輻射涂料通常涂敷在熱物體表面構成紅外輻射體。紅外輻射涂料中一般都選用在工作溫度范圍內發(fā)射率高的材料。紅外輻射涂料由輻射材料的粉末與粘接劑（無機）等按適當比例混合配制而成。

部分紅外輻射涂料的性能及規(guī)格名稱型號法向發(fā)射率使用溫度℃適用基體氧化鐵HS-1-10.101060~600陶瓷氧化鉻HS-2-10.101鋯質陶瓷HS-3-1-特質氧化鐵HS-1-20.10560~600陶瓷、金屬特質氧化鉻HS-2-20.106鋯質陶瓷HS-3-20.104特質碳化硅HS-4-20.107碳化硼HK-B-60~600陶瓷、金屬氧化鐵HY-10.10260~600陶瓷氧化鉻HY-20.103鋯英粉HY-30.109碳化硅HY-40.105紅外輻射材料的應用1．用于熱能利用方面（1）紅外加熱：利用熱輻射體（如紅外加熱器）所發(fā)射出來的紅外線，照射到物體上并被吸收后轉換成熱（或同時伴隨其他非熱效應），從而達到加熱、干燥的目的。如在機械和金屬領域用于機械設備的金屬部件、車架、船舶的噴漆烘干，鑄型的干燥等；在化工領域用于熱塑性樹脂的干燥、紙漿和藥品的干燥、玻璃和陶瓷的預熱和燒結等；在醫(yī)療領域用于促進血液循環(huán)和汗腺的分泌、外傷的治療等；在食品工業(yè)領域用干冷凍谷類捆包前的脫水、冷凍食品的解凍、稻谷水果的烘干等等。（2）作為耐火材料：高發(fā)射率紅外輻射涂層屬于不定形耐火材料中的一種，一般被涂于加熱爐的爐襯耐火磚或耐火纖維氈表面，也可涂于測溫套管、燒嘴磚等表面，將十分有利于熱能的利用。2．用于航天領域航天器用紅外輻射涂層是一種高溫高發(fā)射率涂層、涂在航天器蒙皮表面上，作為輻射防熱結構。3．用于軍事目的（1）防紅外偽裝涂層：紅外偽裝的最基本原理是降低和消除目標和背景的輻射差別，以降低目標被發(fā)現(xiàn)和識別的可能性。近紅外偽裝涂層要求目標與背景的光譜反射率盡可能接近；中、遠紅外偽裝涂層則一般采用低發(fā)射率涂層材料，以彌補二者的溫度差異。據(jù)稱美國隱形戰(zhàn)斗機F-19的機身表面就涂有減少雷達波及紅外線的偽裝涂層。（2）紅外誘餌器：紅外誘餌器作為對付紅外制導導彈的一種對抗手段，正受到重視。若采用固體熱紅外假目標(誘餌)，在表面涂上高發(fā)射率涂層，則能提高誘餌的紅外輻射強度，從而提高假目標的有效性。選擇不同輻射頻率的材料作成的紅外誘餌器可以模擬各種武器裝備的紅外輻射特征，更好地發(fā)揮紅外誘餌假目標的作用。10.3.3透紅外材料透紅外材料指的是對紅外線透過率高的材料。1.常用紅外材料透紅外晶體材料包括離子晶體和半導體晶體兩種。離子晶體主要包括堿鹵化合物晶體，堿土-鹵族化合物晶體，某些氧化物晶體和無機鹽晶體。半導體晶體主要包括IVA族單元素晶體，IIIA-VA族化合物和IIB-VIA族化合物晶體等。堿鹵化合物晶體有LiF、NaF、NaCl、KCl、KBr、KI、RbCl、RbBr、RbI、CsBr、CsI等。一般說來，這類材料的熔點不高、比較容易培養(yǎng)成大單晶，其退火工藝也不十分復雜，同時也較容易實現(xiàn)光學均勻性。金屬鉈和鹵族元素化合物的單晶，例如TlBr、TlC1以及混合晶體KRS-5(TlBr-TlI)與KRS-6(TlBr-TlCl)等也是一類常用的透紅外材料。它們具有相當寬的透射波段，同時僅微溶于水。堿土—鹵族化合物晶體主要包括CaF2、BaF2、SrF2、MgF2。這類材料的近紅外透過率一般都較高。折射率較低，反射損失小，不需鍍抗反射膜。和堿鹵化合物品體相比，硬度要高得多，機械強度也好得多，幾乎不溶于水(如MgF2)或微溶于水。氧化物晶體是火箭、導彈、人造衛(wèi)星、宇宙飛行器以及通訊、遙測等用的紅外裝置中廣泛使用的一類晶體。材料透射波段/μm折射率（4.3μm處）硬度（克氏硬度）熔點℃密度（g·cm-3）彈性模量/GPa熱膨脹系數(shù)（10-6K-1）在水中的溶解度（10-2g·mL-1）備注氧化鋁5.51.610137020303.9103726.70‖c5.00⊥c0.00雙折射晶體，其折射率值是對尋常光線而言晶態(tài)石英4.51.46（尋常光線）74114702.65C11:103C44:567.100.00融熔石英4.51.3747016672.20640.550.00氧化鎂6.101.66690210003.5925513.000.00氧化鈦6.02.4510100110254.26C11:351C44:1239.000.00用作透紅外光學材料的半導體晶體主要有Ce、Si、CdTe、CaAs等，這類材料在紅外波段大多具有較大的折射率，一般需用涂膜來減少反射損失。材料透射波段/μm折射率（4.3μm處）硬度（克氏硬度）熔點℃密度（g·cm-3）彈性模量/GPa熱膨脹系數(shù)（10-6K-1）在水中的溶解度（10-2g·mL-1）鍺254.0210009405.33C11:127C44:666.100.00硅153.42115014202.33C11:163C44:7104.200.00金剛石302.40101020>35003.51C11:932C44:5100.1070.00銻化銦163.992235235.710C11:64C44:304.900.00砷化鎵1103.34（10μm處）750123105.31C11:12C44:55.740.00銻化鎵2~43.7044107055.62C11:107C44:426.900.00硫化鎘162.261211500(100大氣壓)4.102C11:79C44:143.50‖c5.00⊥c0.00013硒化鎘252.407113505.101--0.00碲化鎘302.565410455.105C11:53C44:204.500.002.透紅外材料的用途透紅外材料是用來制造紅外光學儀器透鏡、棱鏡、濾光片、調制盤、窗口、整流罩等不可缺少的材料。透紅外材料用途堿鹵化合物晶體紅外儀器和裝置中的棱鏡、窗口材料金屬鉈和鹵族元素化合物晶體探測元件窗口材料和透鏡材料堿土-鹵族化合物晶體窗口、濾光片基板材料氧化物晶體窗口、整流罩、透鏡材料半導體晶體窗口、透鏡、整流罩無機鹽化合物晶體探測器的前置透鏡透紅外光學玻璃紅外火炮控制系統(tǒng)和紅外航空攝影系統(tǒng)中的元件紅外透明陶瓷高溫紅外光學裝置、高溫輻射源及其他高溫裝置透紅外塑料近紅外裝置的窗口材料、激光裝置的窗口材料金剛石膜和類金剛石膜窗口、紅外增透膜、多寬帶抗反射膜的保護膜10.4液晶（LiquidCrystalPolymer）材料液晶是某些物質在熔融態(tài)或溶液狀態(tài)下形成的有序流體的總稱。它是一種結晶態(tài)，既具有液體的流動性又具有晶體的各向異性特征。介于完全晶體和各向同性液體之間的中間狀態(tài)?！暗谒南鄳B(tài)”1101010年，奧地利植物學家萊尼茨爾測定有機物的熔點時，發(fā)現(xiàn)某些有機物（膽甾醇苯甲酸脂和醋酸脂）熔化后會經歷一個不透明的呈白色渾濁液體狀態(tài)，并發(fā)出多彩而美麗的珍珠光澤，只有繼續(xù)加熱到某一溫度才會變成透明清亮的液體。第二年，德國物理學家萊曼使用他親自設計，在當時作為最新式的附有加熱裝置的偏光顯微鏡對這些脂類化合物進行了觀察。他發(fā)現(xiàn)，這類白而渾濁的液體外觀上雖然屬于液體，但卻顯示出各向異性晶體特有的雙折射性。于是萊曼將其命名為“液態(tài)晶體”，這就是“液晶”名稱的由來。

10.4.1液晶的分類1.按液晶形成的條件，可將液晶分為熱致性液晶和溶致性液晶兩類。（1）熱致性液晶：通過加熱熔融而呈現(xiàn)液晶態(tài)的物質稱為熱致性液晶，多數(shù)液晶是熱致性液晶。通常采用降溫的方法，將熔融的液體降溫，當降溫到一定程度后分子的取向有序化，從而獲得液晶態(tài)。（2）溶致性液晶：因加入溶劑（在某一濃度范圍內）而呈現(xiàn)液晶態(tài)的物質稱為溶致性液晶。當有機分子溶解在溶劑中，隨溶液中溶質的濃度增加，溶劑的濃度減小，有機分子的排列有序而獲得液晶。

固體熱冷液晶熱冷液體固體＋H2O液晶-H2O＋H2O(片層狀）-H2O液晶(立方狀）液晶(六角形）液晶膠束均質溶液＋H2O-H2O＋H2O-H2O＋H2O-H2O＋H2O-H2O除了這兩類液晶物質外，人們還發(fā)現(xiàn)了在外力場（壓力、流動場、電場、磁場和光場等）作用下形成的液晶。例如聚乙烯在某一壓力下可出現(xiàn)液晶態(tài)，是一種壓致型液晶。聚對苯二甲酰對氨基苯甲酰肼在施加流動場后可呈現(xiàn)液晶態(tài)，因此屬于流致型液晶。2.按液晶內部分子排列形式和有序程度分類熱致性液晶可分為近晶型液晶態(tài)、向列型液晶態(tài)和膽甾型液晶態(tài)；溶致性液晶可分為層狀相液晶態(tài)、“雙連續(xù)”立方相液晶態(tài)、六角相液晶態(tài)等。（1）向列型液晶是一種渾濁的可流動的狀態(tài)。向列型液晶中，棒狀分子間平行排列，但重心排列是無序的，只保留著固體的一維有序性，這種有序實質上是由取向分子組成的。在外力作用下，液晶中的棒狀分子很容易沿流動方向取向，并可在流動取向中相互穿越，因此，向列型液晶都有相當大的流動性。在這三類液晶中，僅向列型液晶沒有平移有序性，它的有序度最低，粘度也小。（2）近晶型液晶態(tài)近晶型液晶是所有液晶中最接近結晶結構的一類，因此得名。在這類液晶中，棒狀分子互相平行排列成層狀結構。分子的長軸垂直于層狀結構平面。層內分子排列具有二維有序性。但這些層狀結構并不是嚴格剛性的，分子可在本層內運動，但不能來往于各層之間。因此，層狀結構之間可以相互滑移，而垂直于層片方向的流動卻很困難。因而近晶型液晶的黏度很大。（3）膽甾型液晶在屬于膽甾型液晶的物質中，有許多是膽甾醇的衍生物，因此得名。實際上，許多膽甾型液晶的分子結構與膽甾醇結構毫無關系。在這類液晶中，分子是長而扁平的，它們依靠端基的作用，平行排列成層狀結構，長軸與層片平面平行。層內分子排列與向列型類似，而相鄰兩層間，分子長軸的取向依次規(guī)則地扭轉一定的角度，層層累加而形成螺旋結構。分子長軸方向在扭轉了360°以后回到原來的方向。兩個取向相同的分子層之間的距離稱為螺距，是表征膽甾型液晶的重要參數(shù)。這種液晶各層間有規(guī)律的面間距作用就像一個光柵一樣，使入射的白光偏振旋轉，使得膽甾型液晶通常具有彩虹般的漂亮顏色，并有極高的旋光能力。3.其他分類液晶根據(jù)分子量的大小，可以分成小分子液晶和聚合物（高分子）液晶；聚合物液晶根據(jù)其特征剛性結構（致晶單元）在聚合物鏈上所處位置，可以分成主鏈型液晶和側鏈型液晶；按來源分：分為天然、生物和合成，其中合成LCP分為逐步聚合型與烯類加聚型；按主鏈結構特征分為全芳香族、芳酯族、脂肪族三類。10.4.2高分子液晶的結構液晶是某些物質在從固態(tài)向液態(tài)轉換時形成的一種具有特殊性質的中間相態(tài)或過渡相態(tài)。顯然，過渡態(tài)的形成與分子結構有著內在聯(lián)系。液晶態(tài)的形成是物質的外在表現(xiàn)形式，而這種物質的分子結構則是液晶形成的內在因素。毫無疑問，分子結構在液晶的形成過程中起著主要作用，同時液晶的分子結構也決定著液晶的相結構和物理化學性質。研究表明，能夠形成液晶的物質通常是在分子結構中具有剛性的部分，稱為致晶單元。從外形上看，致晶單元通常呈現(xiàn)近似棒狀或片狀的形態(tài)，這樣有利于分子的有序堆砌。這是液晶分子在液態(tài)下維持某種有序排列所必需的結構因素。在高分子液晶中這些致晶單元被柔性鏈以各種方式連接在一起。1.棒狀結構大多數(shù)液晶高分子是長棒狀的，其基本結構為：（a）由兩個或更多芳香環(huán)組成的“核芯”，最常見的是苯環(huán)，有時為芳香雜環(huán)或脂環(huán)；（b）有一個剛性結構橋鍵X，將芳香環(huán)連接起來，阻止兩個芳香環(huán)旋轉，橋鍵主要有：亞氨基（-CH=N-），反式偶氮基（-N=N-），氧化偶氮基（-N=N(O)-），酯基（-COO-），反式乙烯基（-CH=CR-(R=H,CH3)）等；（c）端基Y和Z，常見的Y和Z有-R，-OR，-COOR，-OOCR，-CN，-NH2，-Cl，-Br，-I等，Y和Z可以相同，也可以不同。結構特征（1）幾何形狀不對稱，L/D>4左右的物質才可能成液晶態(tài)；（2）分子間的各向異性相互作用。液晶基元2.碟狀結構碟狀結構液晶分子一般是一塊剛性平板狀芳香核心和外圍連接著的較柔順的側鏈組成。例如下圖所示：3.雙親分子雙親分子的一端為親水的極性頭，另一端為疏水的非極性鏈，例如正壬酸鉀，一端是極性的-COO-K+，一端是非極性的CH3(CH2)7-。雙親分子溶液濃度低時先形成膠球；隨著濃度增加，逐漸形成柱，柱與柱之間成六方排列（六方相）；濃度更高時則形成層狀結構即近晶相，有時在這兩個相之間會出現(xiàn)立方相，由膠球堆砌而成。即雙親分子濃度在不同條件下可形成六方相、層相和立方相。形成液晶的臨界濃度是溶致液晶的一個重要物理量，只在此濃度以上方可形成液晶，臨界濃度也是溫度的函數(shù)。10.4.3液晶的性能1.與小分子液晶相比，高分子液晶具有下列特殊性：①熱穩(wěn)定性大幅度提高；②熱致性高分子液晶有較大的相區(qū)間溫度；③粘度大，流動行為與一般溶液顯著不同。從結構上分析，除了致晶單元、取代基、末端基的影響外，高分子鏈的性質、連接基團的性質均對高分子液晶的相行為產生影響。2.高分子液晶的性能（1）液晶的光學雙折射性液晶的重要特性之一是像晶體那樣，因對光線折射率的各向異性而發(fā)生雙折射現(xiàn)象，從而顯現(xiàn)出許多有用的光學性質。這些光學性質是液晶能做為顯示材料應用的重要依據(jù)。（2）旋光效應膽甾型液晶因其分子通常為手性分子，及其螺旋狀的凝聚態(tài)結構而具有較高的旋光性。在恰當條件下，向列相液晶也能表現(xiàn)出旋光效應。大分子液晶除具有與小分子液晶相同的光學性質外，還因為其獨特的鏈結構和凝聚態(tài)結構而具有與小分子液晶和普通高分子材料不同的特殊性。（3）取向方向的高拉伸強度和高模量與柔性鏈高分子比較，分子主鏈或側鏈帶有致晶基元的LCP，最突出的特點是在外力場中容易發(fā)生分子鏈取向。LCP處于液晶態(tài)時，無論是熔體還是溶液，都具有一定的取向度。LCP液體流經噴絲孔、模口、流道的時候，即使在很低剪切速率下獲得的取向，在大多數(shù)情況下，不再進行后拉伸，就能達到一般柔性鏈高分子經過后拉伸的分子取向度。因而即使不添加增強材料也能達到甚至超過普通工程材料用百分之十幾玻纖增強后的機械強度，表現(xiàn)出高強度高模量的特性。如Kevlar的比強度和比模量均達到鋼的10倍。（4）耐熱性突出由于液晶大分子鏈中均含有由苯環(huán)或者芳香雜環(huán)形成的剛性致晶基元，分子鏈剛性大，且分子間作用力強，因此高分子液晶通常具有突出的耐熱性。此外有些高分子液晶還具有很高的錫焊耐熱性。（5）熱膨脹系數(shù)很低由于液晶高分子的取向度高，因此其在流動方向的熱膨脹系數(shù)比普通工程塑料低，約低一個數(shù)量級，達到一般金屬的水平，有時甚至出現(xiàn)負值。這一特點使得高分子液晶在加工成型過程中不發(fā)生收縮或收縮很小，保證了制品尺寸精確性和穩(wěn)定性。（6）良好的阻燃性液晶大分子鏈大量芳香環(huán)構成，除了含有酰肼鍵的纖維外，都特別難以燃燒，燃燒后易炭化。如：Kevlar在火焰中有很好的尺寸穩(wěn)定性,若在其中添加少量磷等,高分子液晶的阻燃性能更好。（7）優(yōu)異的電性能和成型加工性液晶高分子與其他多數(shù)高分子材料相仿，電絕緣強度高、介電常數(shù)低、介電損耗小，體積電阻一般可達1013?·m，抗電弧性也較高。且絕緣強度和介電常數(shù)都很少隨溫度而變化，導熱性也很低。在成型加工方面，液晶高分子的熔體黏度隨剪切速率的增加而下降，呈現(xiàn)假塑性特性。其加工流動性好，成型壓力低，可用一般的塑料加工設備進行注射或擠出成型，所得成品的尺寸精確度高。此外，高分子液晶還具有高抗沖性、高抗彎模量和高抗蠕變性能，其致密的結構使其在很寬的溫度范圍內不溶于一般的有機溶劑和酸堿，具有突出的耐化學腐蝕性。當然，LCP尚存在制品的機械性能各向異性、接縫強度低、價格相對較高等缺點，這些都有待于進一步的改進。10.4.5液晶材料1.向列型液晶材料正戊基聯(lián)苯氰（4-Cyano-4-n-pentylbiphenyl

）2.近晶型液晶3.膽甾型液晶膽甾醇苯甲酸酯10.4.6液晶材料的應用1.在圖形顯示方面的應用液晶高分子在電場作用下從無序透明態(tài)到有序不透明態(tài)的性質，使其可用于顯示器件。用于顯示的液晶高分子主要為側鏈型。聚合物液晶是利用向列型液晶在電場作用下的快速相變反應和表現(xiàn)出的光學特點制成的。把透明體放在透明電極之間，當施加電壓時，受電場作用的液晶前體迅速發(fā)生相變，分子發(fā)生有序排列成為液晶態(tài)。當有序排列部分失去透明性而產生與電極形態(tài)相同的圖像，根據(jù)這一原理可以制成數(shù)碼顯示器電光學快門、廣告牌及電視屏幕等顯示器件。向列型液晶在電場作用下，光的反射或透射率會發(fā)生變化，因此可用來顯示具有灰度的黑白單色的圖象。膽甾型液晶加上電場時可使光有選擇的反射或透射，故可顯示彩色圖象。TN型液晶顯示器中液晶的排列TN型液晶顯示器的工作原理扭轉向列（TN）型液晶顯示器的工作原理在上下兩片柵欄相互垂直的偏光板之間充滿液晶，利用電場控制液晶的轉動。不同的電場大小就會形成不同的灰階亮度。液晶顯示器的優(yōu)點輕薄便攜色彩豐富分辨率大，清晰度高綠色環(huán)保耗電量低，使用壽命長

LCD液晶顯示最大的優(yōu)點在于耗電極低，可以實現(xiàn)微型化和超薄型化。但是由于高分子液晶和小分子液晶相比，較高的黏度是顯示轉換的速度明顯降低，因